Termodinâmica: o que é, fórmulas e leis

Termodinâmica: o que é, fórmulas e leis

A palavra termodinâmica surge a partir dos vocábulos gregos therme e dynamis, que significam calor + movimento. Assim, essa área da física escuta a energia em movimento e a influência desse trânsito na pressão, volume e temperatura dos corpos.

No artigo de hoje, você verá um panorama geral com as principais informações sobre a termodinâmica, como suas fórmulas e principais leis. No decorrer da explicação você encontrará a resolução de exercícios de vestibulares que cobram esse tema. Leia agora!

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Definição de termodinâmica

A termodinâmica está inserida nos estudos da termologia, ficando responsável por entender os sistemas físicos, as características deles e os processos a que estão sujeitos. De maneira objetiva, se dedica a compreensão da troca de calor entre os corpos e a relação dele com a realização de trabalho.

Em termos históricos, essa ciência se fortaleceu com a criação das máquinas a vapor, durante a primeira revolução industrial. As ondas de calor e as trocas térmicas propiciavam o funcionamento desses dispositivos. 

Com o estudo e entendimento das leis termodinâmicas, ficou mais fácil aumentar a eficiência das máquinas e, consequentemente, favorecer a lucratividade das fábricas, no século XIX.

Atualmente, diversos equipamentos do cotidiano utilizam princípios termodinâmicos: carros, refrigeradores, aparelhos de ar condicionado, geladeiras e aparelhos utilizados no processamento dos derivados de petróleo, por exemplo.

Conceitos fundamentais em termodinâmica

Como a termodinâmica está atrelada à realização de trabalho, é importante que algumas ideias estejam presentes no raciocínio, o que facilita o desenvolvimento das questões.

Sistema 

Um sistema termodinâmico é o conjunto de elementos que estão sendo estudados. Ele é definido por limites preestabelecidos e, nessa região, serão observados os processos energéticos.

Estado 

Cada sistema possui um estado, que determina suas características como pressão, volume, temperatura, massa, entropia, entre outras. É importante dizer que pode haver variação de estado, em diferentes intervalos de tempo.

Equilíbrio 

Quando o estado de um sistema torna-se imutável, encontra-se uma situação de equilíbrio termodinâmico — no qual não são notadas troca de energia ou massa, reações químicas, nem a atuação de forças resultantes externas.

Processo termodinâmico

Quando ocorrem trocas de energia ou transformações físico-químicas, o estado do sistema se altera. A alteração de um estado para outro é chamada de processo termodinâmico

Temperatura 

A temperatura é uma grandeza física escalar que mede a agitação presente nas moléculas de um determinado corpo, em um momento específico. Quanto maior a temperatura, mais agitada estão as partículas; quanto menor essa grandeza, mais “calmas” elas se encontram.

Sua unidade de medida padrão é o Kelvin (K). Cotidianamente, entretanto, os termômetros fornecem valores em Celsius (ºC), no Brasil; e em Fahrenheit (Fº), nos Estados Unidos da América.

Termodinâmica - temperatura e termômetro
Imagem: Reprodução/Wikimedia

Calor

Quando dois sistemas de temperaturas diferentes estão em contato, a energia é transferida do corpo de maior agitação molecular para aquele que tem menor grau termométrico. À energia térmica em trânsito dá-se o nome de calor, medido em calorias (cal) ou joules (J).

Energia interna

É a grandeza que mensura a soma da energia cinética das partículas em um corpo. Assim, quanto maior a temperatura, maior a agitação das moléculas, maior o valor da energia cinética e, consequentemente, maior a energia interna no sistema.

+ Veja também: Fórmulas de Física mais comuns do Enem e outros vestibulares

Leis da Termodinâmica

Assim como os grandes eixos de estudo na física, existem quatro principais leis que regem a termodinâmica, que descrevem as propriedades dos sistemas termodinâmicos.

Lei do equilíbrio térmico

Conhecido também como lei zero da termodinâmica, esse enunciado diz respeito à tendência dos corpos ao equilíbrio. Afirma-se, nesse caso, que: quando dois ou mais corpos estão em contato com diferentes temperaturas, elas tendem a se igualar ao longo do tempo. 

Para que isso ocorra, os corpos de maior temperatura emitem calor para os de menores temperaturas, até que todos estejam com o mesmo grau de agitação das moléculas.

Tal fato explica a sensação de frio ou calor sentida pelo corpo humano: quando tocamos uma pedra de gelo, estamos transmitindo calor para aquele corpo e os neurônios enviam essa informação como sinalização para o frio. 

De modo análogo, quando está muito calor (principalmente nas zonas tropicais), o corpo está recebendo energia do ambiente, o que causa o aumento da temperatura. 

É importante ressaltar que a fisiologia humana trabalha para que as temperaturas não se igualem ao do meio ambiente, permitindo que estejam em um equilíbrio com aproximadamente 36,5ºC. 

Caso esses mecanismos de controle não existissem, morreríamos com quadros de hipertermia (febre) ou hipotermia (quando a temperatura corpórea está abaixo dos 35ºC). 

Primeira lei da termodinâmica

Conhecida por lei da conservação da energia, a primeira lei da termodinâmica indica que a variação da energia interna (ΔU) está intimamente relacionada com a troca de calor com ambiente externo (Q) e o trabalho realizado (? ). Pode ser descrita pela fórmula:

Q = ? + ΔU  

Como ? = p. ΔV, em que p é a pressão e V é o volume, temos que:

Q = p. ΔV + ΔU  

Diante dessa lei, também são descritas 4 diferentes situações em que ocorrem os processos termodinâmicos

  • Transformação isométrica ou isovolumétrica — quando o processo acontece sem que aconteça variação de volume;
  • Transformação isobárica — nos casos em que a pressão se mantém a mesma;
  • Transformação isotérmica — quando a temperatura do sistema não se altera; e
  • Transformação adiabática — quando os corpos não trocam calor com o meio externo.

Segunda lei da termodinâmica

Essa lei adiciona o conceito de entropia, que mede a desorganização das partículas. Quanto maior a entropia, mais desorganizado é o sistema. Quanto menor ela for, ocorre maior organização das moléculas.

Estudos que embasam a segunda lei da termodinâmica indicam que o acontecimento de um processo termodinâmico irreversível causa um aumento da entropia no sistema, caso não haja variação de temperatura.

Terceira lei da termodinâmica

A terceira e última lei da termodinâmica diz respeito ao que conhecemos como zero absoluto, marcado por 0 K ou -273ºC. O enunciado afirma que essa temperatura não é alcançável, já que para isso a agitação das moléculas deveria ser igual a 0.

Os átomos devem assumir um estado de imobilidade, entretanto, essa situação viola os princípios já definidos na mecânica quântica. Além disso, tais afirmações também corroboram para entendermos que nenhuma máquina térmica apresenta um rendimento de 100% — de forma que sempre ocorre perda de energia para o meio.

Questão sobre termodinâmica

Centro Federal de Educação Tecnológica – MG 2009

Um gás perfeito, durante uma transformação isométrica, absorve uma quantidade de calor Q. Sendo ΔU a variação da energia interna e T o trabalho por ele realizado, é correto afirmar que

a) ΔU = 0 e T = Q.
b) ΔU = 0 e T = 0.
c) ΔU = T e Q = 0.
d) ΔU = Q e T = Q.
e) ΔU = Q e T = 0.

Considerando que a transformação é isométrica, sabemos que não ocorreu variação do volume no gás. Conforme a primeira lei da termodinâmica, a fórmula que relaciona energia interna (U), trabalho e temperatura é Q = T + ΔU.

Como o trabalho é dado por T = p. ΔV e a  ΔV = 0, T = p.0, então T=0.

Adicionando essa informação à fórmula do calor, temos que: Q = 0 + ΔU, ou seja: Q=ΔU. Assim, a alternativa correta é a letra E.

+ Veja também: Como Calorimetria cai no Enem

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